🌾 Dusík a fosfor

Ze vzduchu na pole

O čem to je

Dýcháš vzduch, který je ze 78 % dusík. Rostliny ho přitom ze vzduchu skoro nedokážou využít – potřebují dusík ve sloučeninách. Kolem roku 1910 vymysleli Fritz Haber a Carl Bosch, jak dusík ze vzduchu „chytit“ do amoniaku. Díky hnojivům z něj dnes uživíme miliardy lidí.

Fosfor je zase v zápalkách, v kostech, v DNA i v hnojivech. Oba prvky jsou pro život nezbytné – a v přebytku škodí řekám a rybníkům.

Nové pojmy

15. skupinaDusík N, fosfor P, arsen As, antimon Sb, bismut Bi. Mají 5 valenčních elektronů (ns² np³).

Trojná vazbaSpojení dvou atomů třemi sdílenými páry elektronů. Je velmi pevná.N≡N v molekule dusíku

KatalyzátorLátka, která urychlí reakci, ale sama se nespotřebuje.

Vratná reakce (⇌)Reakce, která běží oběma směry zároveň. Produkty se mohou zase rozkládat na výchozí látky.

Dusík – líný plyn

Molekula N₂ drží pohromadě trojnou vazbou, jednou z nejpevnějších. Proto je dusík málo reaktivní – a proto se jím plní balíčky chipsů, aby nežlukly.

Amoniak

Amoniak NH₃Bezbarvý plyn, štiplavě páchne (čpavek). Ve vodě tvoří zásaditý roztok.Je cítit z chlévů a některých čisticích prostředků.

Smíchá se dusík (ze vzduchu) a vodík.

Stlačí se na vysoký tlak (desítky MPa) a zahřeje na asi 450 °C.

Reakci urychluje železný katalyzátor.

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ – vzniklý amoniak se odvádí.

Kolik molekul H₂ je potřeba na 2 molekuly NH₃?

Ve 2 NH₃ je 2 · 3 = 6 atomů vodíku. Jedna molekula H₂ má 2 atomy → potřebuji 3 H₂: N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃.

Z amoniaku se vyrábí kyselina dusičná HNO₃ (dusík v ní má oxidační číslo V) a z ní hnojiva i výbušniny. Směs koncentrované HCl a HNO₃ v poměru 3 : 1 je lučavka královská – rozpustí i zlato.

Oxidy dusíku

N₂O oxid dusný – „rajský plyn“, dříve k uspávání
NO oxid dusnatý – vzniká v motorech
NO₂ oxid dusičitý – hnědý jedovatý plyn, smog, kyselé deště

Fosfor – tři podoby

Bílý fosfor – na vzduchu se sám vznítí, prudce jedovatý. Uchovává se pod vodou.
Červený fosfor – stálý, málo jedovatý. Je na škrtátku zápalek.
Černý fosfor – nejstálejší, podobný grafitu.

Kyselina trihydrogenfosforečná H₃PO₄ je v limonádách typu cola, její soli – fosforečnany – v hnojivech a v kostech.

EutrofizacePřehnojení vod dusičnany a fosforečnany. Přemnoží se řasy a sinice, voda zezelená, po jejich odumření chybí kyslík a ryby hynou.

Roztřiď látky k prvku, který obsahují.

✗Amoniak je kyselý plyn bez zápachu.

✓Amoniak je zásaditý a štiplavě páchne.

Dusík v NH₃ má volný elektronový pár, kterým přijme H⁺ z vody: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. Vznikají OH⁻ → zásaditý roztok.

N₂: trojná vazba, málo reaktivní. Amoniak: N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ (Fe katalyzátor), zásaditý. HNO₃: N^V. Fosfor: bílý samozápalný pod vodou, červený na zápalkách. Přebytek N a P → eutrofizace.

Systematicky

O čem to je

Dusík a fosfor jsou ve stejné skupině, ale chovají se velmi odlišně: dusík je plyn z dvouatomových molekul, fosfor pevná látka v několika podobách. Projdeme oba prvky bod po bodu.

Nové pojmy

Valenční elektronyElektrony v nejvyšší vrstvě. N a P jich mají 5 (ns² np³).

Oxidační číslo (OČ)Formální náboj atomu ve sloučenině. Dusík má rozsah od −III (NH₃) do V (HNO₃).

Alotropické modifikaceRůzné podoby téhož prvku s jiným uspořádáním atomů.bílý, červený a černý fosfor

Chemická rovnováhaStav vratné reakce (⇌), kdy přímá i zpětná reakce běží stejně rychle a množství látek se nemění.

Srovnání

	Dusík	Fosfor
výskyt	vzduch (78 %), bílkoviny, ledky	fosforečnany (apatit), kosti, DNA
podoba	plyn N₂, trojná vazba	bílý, červený, černý
reaktivita	nízká (pevná N≡N)	bílý velmi vysoká
důležitá kyselina	HNO₃ dusičná	H₃PO₄ trihydrogenfosforečná

Oxidační čísla dusíku

Otoč karty: zkus nejdřív spočítat oxidační číslo dusíku sám (H má I, O má −II, součet je 0).

NH₃ amoniak – N^−III
N₂ – N⁰
N₂O oxid dusný – N^I
NO oxid dusnatý – N^II
NO₂ oxid dusičitý – N^IV
HNO₃ kyselina dusičná – N^V

Urči oxidační číslo dusíku v HNO₃.

H: +1, O: 3 · (−2) = −6. Součet musí být 0: 1 + N − 6 = 0 → N = V.

Haberova–Boschova syntéza amoniaku

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ – reakce je vratná a exotermní.

Vysoký tlak – vlevo jsou 4 molekuly plynu, vpravo 2. Stlačení posune rovnováhu k NH₃.

Teplota kolem 450 °C – kompromis: nižší by dala víc NH₃, ale reakce by byla příliš pomalá.

Železný katalyzátor – urychlí ustavení rovnováhy.

Amoniak se odvádí, nezreagované plyny se vracejí zpět.

Proč je N₂ tak málo reaktivní, a proto syntéza potřebuje tak drsné podmínky?

Molekula N≡N má trojnou vazbu s velmi vysokou vazebnou energií. Rozbít ji vyžaduje hodně energie a katalyzátor.

Fosfor

bílý P₄ – samozápalný, jedovatý, uchovává se pod vodou
červený – stálý, na škrtátku zápalek
černý – nejstálejší, vrstevnatý
H₃PO₄ – výroba hnojiv, potravinářství (E338)
fosforečnany – hnojiva, kosti a zuby (fosforečnan vápenatý)

Životní prostředí

Splach hnojiv (dusičnany, fosforečnany) do vod způsobuje eutrofizaci – přemnožení řas a sinic. Oxidy dusíku z motorů přispívají ke smogu a kyselým dešťům.

✗Lučavka královská je směs HNO₃ a H₂SO₄.

✓Lučavka královská je směs koncentrované HCl a HNO₃ v poměru 3 : 1.

Směs HNO₃ a H₂SO₄ se jmenuje nitrační směs a slouží v organické chemii. Zlato rozpouští jen lučavka.

15. skupina, 5 valenčních elektronů. N: OČ −III až V, syntéza NH₃ (vysoký tlak, ~450 °C, Fe). P: bílý (pod vodou), červený (zápalky), H₃PO₄ a fosforečnany. Eutrofizace.

💎Uhlík a křemík🌋Kyslík a síra